JP4393822B2 - 誘電体共振器タイプアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、小型の誘電体共振器に関し、特に、無線通信のためのＲＦ回路に用いられ、更に大量市場向けであることを意図する誘電体共振器に関する。

家庭内無線ネットワークのための大量市場プロダクトに関連するアンテナの開発の骨組みにおいて、誘電体共振器タイプのアンテナ又はＤＲＡ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ：誘電体共振器アンテナ）は通過域及び放射に関して興味深い性質を示す。更に、誘電体共振器タイプのアンテナは、特に、比誘電率εｒにより特徴付けられる何れかの形状の誘電体材料のブロックから構成される。更に、このタイプのアンテナは、表面実装ディスクリート構成要素又はＣＭＳ構成要素の形成に用いることに特に適合する。特に、“Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ − Ａ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ Ｆｏｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｎｄ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ”と題され１９９４年に発行された学術雑誌Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ − Ｗａｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ − Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ − 第４巻第３号２３０乃至２４７ページ（非特許文献１）に掲載されているように、誘電体共振器タイプのアンテナの通過域及びサイズは共振器を構成する材料の誘電率εｒに反比例する。このように、誘電率が小さくなればなる程、ＤＲＡはより広帯域になるが、同時にＤＲＡはより大きくなる。それに対して、ＤＡＲを形成する材料の誘電率εｒが大きくなるに従い、ＤＲＡのサイズは小さくなるが、この場合、通過域は狭くなる。このように、ＷＬＡＮ標準に適合する家庭内無線ネットワークにおけるこのタイプのアンテナを使用することが可能であるためには、誘電体共振器のサイズと通過域との間の折衷を求める必要がある一方、装置への集積化を可能にする最少のバルクを提案する必要がある。

誘電体共振器のサイズを減少させることを可能にする種々の解決方法に関して、従来用いられている解決方法は、電気壁又は磁気壁条件を適用することが可能である切断面を規定するための共振器の内部場の対称性を利用することにある。このタイプの解決方法は、特に、“Ｈａｌｆ ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｓｉｇｎｓ”と題され１９９7年１１月６日に発行された学術雑誌Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ −第３３巻第２３号１９１４乃至１９１６ページ（非特許文献２）に掲載されている。定数ｘ及びｚを用いて定義された平面において、ＴＥ^ｙ _１１１モードの誘電体共振器タイプのアンテナ内部の電場は、一様なオリエンテーションと、このオリエンテーションに垂直な直線に関して対称的な軸を示すという事実を用いることにより、画像の理論を適用すること、並びに、無限電気壁によってＤＲＡの切り取られた半分を置き換えることと対称平面における切断に効果を及ぼすことによりＤＲＡのサイズを半分にすること即ちメタライゼーションと及び画像の理論を適用することが可能である。従って、図１において示されたＤＲＡの直方体形状から図２及び３に示された形状に変化する。更に、図１の直方体の誘電体共振器タイプのアンテナは、寸法がａ、ｂ及び２＊ｄであって、５．２５ＧＨｚの周波数におけるＴＥ^ｙ _１１１モードに従った誘電体の誘電率εｒ＝１２．６の動作する場合、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝２５．８ｍｍ及び２＊ｄ＝９．６ｍｍである。第１電気壁が図２に示されるように平面ｚ＝０において形成される場合、直方体のＤＲＡは図１のＤＲＡの寸法と同じくｂ及びａであるが、高さは半分のｄである。更に、参照符号１により示されたメタライゼーションは電気壁が平面ｚ＝０において形成されることを可能にする。図３の実施形態に従って、平面ｚ＝ｄの対称性を用いて第２の切断を行うことが可能であり、この場合、メタライゼーション２によりｘ＝０において形成される電気壁を得ることが可能である。従って、誘電体共振器の寸法は、ｂ／２、ａ及びｄとなる。この誘電体共振器タイプのアンテナのサイズは、従って、基礎となるトポグラフィに関して因数４により減少された。
"Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ − Ａ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ Ｆｏｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｎｄ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ − Ｗａｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ − Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ − １９９４年、第４巻、第３号、２３０乃至２４７ページ "Ｈａｌｆ ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｓｉｇｎｓ"、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ − １９９7年１１月６日、第３３巻、第２３号、１９１４乃至１９１６ページ

本発明は、アース面上に実装されるように意図された第１面が金属層により覆われた絶縁材料のブロックから構成された誘電体共振器アンテナであって、第１面に垂直な少なくとも１つの第２面が、第２面の幅より小さい幅で且つ第２面の高さに等しいかその高さより小さい高さにおいて金属層で覆われることを主なテーマとする。

良好な結果を得るために、好適には、第２面を覆う金属層は前記第２層の幅について中央に置かれる。本発明の他の特長に従って、第２面を覆う金属層は第１面に平行な第３面を覆う金属層により拡張される。好適には、第３面を覆う金属層は第３面の長さより小さい幅で伸びている。他の特性に従って、第３面を覆う金属層の幅は第２面を覆う金属層の幅とは異なっている。

この場合、以下に述べるように、上述のＤＲＡに比較してより小型のＤＲＡをも得ることが可能である。サイズの縮小の効果については、誘電体共振器タイプアンテナの内側の力線を長くすることにより説明することが可能である。特に、力線を変形させる新しい境界条件は、それらが長くなる間に、部分メタライゼーションにより電場に加えられる。

本発明の他の特性及び優位性は、添付した図を参照して記述する種々の実施形態を読むことにより明らかになるであろう。

本発明に従って、放射特性を低下させることなく、誘電体共振器タイプアンテナの寸法を小さくすることできる。

本発明に従った小型誘電体共振器タイプのアンテナの透視図を図４に示す。誘電体共振器は、本質的に、誘電体材料のブロック１０から構成される。比誘電率εｒを示す誘電体材料は誘電体又はプリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）で満たされたポリエーテルイミド（ＰＥＩ：ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）のメタライゼーション可能なプラスチック又はセラミックベースの材料とすることが可能である。示した実施形態において、ブロックは直方体形状であるが、そのブロックは特に立方体或いは円筒又は多面形状をも含むあらゆる形状とすることが可能であることは、当業者には分かりきったことであろう。既知の方法で、ブロックのサイズを小さくするために、アース面をもつ基板上の下に置くようにされた下方表面は金属層１１により覆われる。本発明に従って、金属層１１により覆われた面に垂直な面の１つは又、部分金属層１２により覆われている。金属層は、例えば、銀、クロム、或いは多層のニッケル又は銅／ニッケル又は銅／すずから構成され、アルミナのようなセラミックベースの場合には導電性インクをスクリーン印刷により、又はメタライゼーションプラスチックの場合には電気化学的析出により、その析出を実施することが可能である。この場合、多層を用いることが好適であり、即ち、あらゆる腐食現象を防止するためにすず又はニッケルの析出により覆われる表面状態を改善するために電界銅が後に続いて形成されるプラスチックに固定されるための化学銅の層である。このメタライゼーションは又、銀、クロム、ニッケルタイプの金属の真空蒸着により実施することも可能である。この場合、析出物の厚さは1μに近い。

図４におけるブロックの場合、メタライゼーション層１２はブロックの全体的な高さに亘り析出される。

本発明の他の実施形態について、ここで、図５を参照して説明する。この場合、誘電体共振器タイプアンテナを、誘電率εｒの誘電体材料によりなる直方体ブロック２０から構成する。図４のアンテナについては、金属層２１をブロックの面２０に析出した。この面はアース面をもつ基板に実装される。同様に、本発明に従って、ブロック２０の垂直な面の１つの幅より小さい幅の金属層２２を前記面に析出し、本発明の他の実施形態に従って、この層は、金属層２１を支える面に平行なブロックの面２０に析出された金属層２３により拡張される。図５に示されるように、層２３の長さは、それが析出された面の長さより小さく、ｍ_ｈである。

図４及び５に従って作製されるような電体共振器タイプアンテナのサイズを小さくすることを示すために、種々のトポロジーの寸法化を“有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）”に基づく三次元電磁気シミュレーションソフトウェアに基づいて実施した。直方体の誘電率共振器タイプのアンテナは従ってシミュレーションされ、マイクロストリップラインを介してスロットにより通電される。この構造を図６ａ、６ｂ及び６ｃに示している。この場合、ちょうど図５の場合のようにメタライゼーションが施されたブロック３０は基板３１に実装される。基板３１は、弱いＲＦ特性により特徴付けられる誘電率ε′ｒをもつ誘電体基板であり、即ち、誘電体特性における著しい分散と著しい誘電体損失を示す。図６ａに示すように、基板３１の２つの外部の面は、即ち、各々の平面を構成する層３２の近くの上方面と、マイクロストリップライン３３がエッチングされる層の近くの下方面は、メタライズされる。ＤＲＡは、上方表面に設けられたアース平面に形成されたスロット３４により従来の方法で給電される。ＤＲＡは、図１、２、３、４及び５に示された種々のトポロジーに従って寸法決めされ、基板のタイプＦＲ４（ε′ｒ＝４．４、ｈ＝０．８ｍｍ）を用いて５．２５ＧＨｚにおいて動作される。ＤＲＡを誘電率εｒ＝１２．６の誘電体に形成する。図６ｂに示すように、給電システム（スロットとライン）はＤＲＡの幅の中央に位置されている、即ちＤ２＝ａ／２である。この場合、給電ラインは特徴的なインピーダンス５０Ω（Ｗ_ｍ＝１．５ｍｍ）を示し、スロット３４の寸法はＷ_ｓ及びＬ_ｓに等しい。マイクロストリップライン３３は、スロットの中心に関する突出部ｍを伴って、スロット３４と垂直に交差している。スロットの位置は寸法Ｄ１により示されている。図２及び３に対応する構成のために、ＤＲＡは無限アース平面に置かれ、他方、図５に対応する構成、即ち本発明の１つの実施形態のために、図６ｂに示すように、ＤＲＡはアース平面の縁に位置される。ＤＲＡの種々の構成のために得られた寸法を、次の表１に示す。

明確に理解するために、図６のＤＲＡの長さａは、他のＤＲＡについての長さ１０に代えて８．５であり、幅ｂは１２．９乃至２５．８の間での変化に代えて６であり、且つ高さｄは４．８乃至９．６の間での変化に代えて４．８に等しい。従って、本発明に従ったＤＲＡを用いて、ＤＲＡに関して因数３による更なる縮小を行うことができる。

更に一般的には、誘電体共振器タイプのアンテナは、先ず、上述の参考文献Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ（非特許文献２）に記載されているように、対称性のある２つの平面に沿って、切断原理を用いて寸法付けされる。部分メタライゼーションは上述のように析出される。寸法が用いられる材料に特に依存する部分メタライゼーションは、ＤＲＡの動作周波数の減少をもたらす。その結果、寸法ａ及びｂは、所望の周波数に下げられるように適合される。

更に、周波数の関数として反射係数Ｓ１１を与える図７に示されるように、図５のＤＲＡは、図３及び４のＤＲＡに匹敵する順応レベルを与えることが認識されている。

上述の実施形態は、実施形態の選択肢により変化することが可能である。特に、第２面の部分メタライゼーション層の幅は、第３面のメタライゼーション層の幅とは異なることが可能である。

以上のように、本発明の構成を用いることにより、性能を高く維持しつつ、ＤＲＡのサイズを著しく減少させることができる。

直方体形状のブロックにより形成された誘電体共振器タイプの基本アンテナの透視図である。 広いアース平面上に示された金属面を備えた直方体形状のＤＲＡの透視図である。 アース平面上の小型の誘電体共振器タイプのアンテナの透視図である。 本発明の第１実施形態に従った誘電体共振器タイプのアンテナの透視図である。 本発明の他の実施形態に従った図４の誘電体共振器タイプのアンテナと同様な透視図である。 マイクロストリップラインにより通電される誘電体共振器アンテナの側面図（図６ａ）、平面図（図６ｂ）及び誘電体共振器アンテナ部分の拡大平面図である。 小型ＤＲＡの種々のトポロジーについて、周波数の関数としての反射係数Ｓ１１を示す曲線である。

符号の説明

１ メタライゼーション
２ メタライゼーション
１０ ブロック
１１ 金属層
１２ 部分金属層
２０ 直方体ブロック
２１ 金蔵層
２２ 金属層
２３ 金属層
３０ ブロック
３１ 基板
３２ 層
３３ マイクロストリップライン
３４ スロット

Claims (5)

1. アース面に備えられた第１面が第１金属層により覆われた誘電体材料の矩形ブロック；
   を有する誘電体共振器アンテナであって、
   前記第１面に対して垂直な少なくとも第２面は、該第２面の幅より小さい幅に亘って且つ前記第２面の前記高さに等しい又は前記高さより小さい高さに亘って、前記第１金属層と電気的に接している第２金属層で覆われ、前記の誘電体材料の矩形ブロックは、前記第１面に対向する第３面を有し、該第３面から放射線を発するように導電材料により少なくとも一部が覆われていない；
   ことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
2. 請求項１に記載のアンテナであって、前記第２面を覆う前記第２金属層は前記第２面の前記幅について中央に位置付けられている、ことを特徴とするアンテナ。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナであって、前記第２面を覆う前記第２金属層は前記第１面に平行な第３面を覆う第３金属層により拡張されている、ことを特徴とするアンテナ。
4. 請求項３に記載のアンテナであって、前記第３面を覆う前記第３金属層は前記第３面の長さより小さい幅で伸びている、ことを特徴とするアンテナ。
5. 請求項３に記載のアンテナであって、前記第３面を覆う前記第３金属層の前記幅は前記第２面を覆う前記第２金属層の幅と異なる、ことを特徴とするアンテナ。

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